干煤棚分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

母雪東，劉景霞

內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 026000

0 引言

太陽能是當(dāng)今社會(huì)人們最容易利用的能源之一，因?yàn)槠渚哂星鍧嵭郧疑a(chǎn)成本較低，在新能源領(lǐng)域備受關(guān)注。

同時(shí)，太陽能光伏發(fā)電不受地域限制，只要有太陽光便能源源不斷地產(chǎn)生電能。但其穩(wěn)定性和可靠性較差，不能作為單一源頭為電網(wǎng)輸送電能?；诨鹆Πl(fā)電輸出穩(wěn)定、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，光伏發(fā)電可以和火力發(fā)電結(jié)合使用，如在火力發(fā)電廠煤棚上方鋪設(shè)光伏組件。

具體而言，需要先對光伏的核心部件進(jìn)行選型；由于在煤棚上方鋪設(shè)光伏組件的安裝方式比較特殊，還需要詳細(xì)分析光伏組件的安裝角度和布置方案，并設(shè)計(jì)一次接線方式。

1 硬件選擇

1.1 光伏電池選型

光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心硬件，目前國內(nèi)市場上主流的光伏電池產(chǎn)品是晶硅型（含單晶和多晶）和非晶硅型光伏電池。兩者的生產(chǎn)成本差不多，但是在發(fā)電效率上，晶硅型光伏電池的發(fā)電效率要比非晶硅型光伏電池高一倍以上。如果是同等規(guī)模的光伏發(fā)電系統(tǒng)，非晶硅型光伏電池的占用面積和組件支架數(shù)量也要高于晶硅型光伏電池。因此，晶硅型光伏電池在經(jīng)濟(jì)性上要優(yōu)于非晶硅型光伏電池[1]。

某屋頂光伏工程項(xiàng)目光伏組件架設(shè)在煤棚屋面上方。由于裝機(jī)容量受煤棚屋頂可利用面積限制，為盡量提高裝機(jī)容量，宜采用轉(zhuǎn)換效率較高的光伏電池產(chǎn)品。市場上主流的晶硅電池產(chǎn)品為多晶265 Wp、270 Wp和單晶275 Wp、280 Wp，兩類電池的價(jià)格基本持平，但單晶硅電池的效率更高，因此采用單晶硅電池更為經(jīng)濟(jì)。單晶硅光伏電池組件的具體參數(shù)如表1所示。

表1 單晶硅光伏電池組件參數(shù)

1.2 逆變器選型

光伏并網(wǎng)逆變器是光伏電站的核心設(shè)備之一，其基本功能是將光伏電池組件輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電[2]。光伏并網(wǎng)逆變器可以分為大功率集中型逆變器、小型組串式逆變器和集散式逆變器三種。其中，集中型逆變器更適用于均一場地，對于地勢起伏較大或環(huán)境較為復(fù)雜的場地，易出現(xiàn)遮擋不均勻的問題；小型組串式逆變器的多路MPPT追蹤功能使發(fā)電量有所提高；集散式逆變器結(jié)合了集中式、組串式逆變器的特點(diǎn)，將MPPT跟蹤功能結(jié)合到了集散式逆變器的匯流箱內(nèi)，使眾多的匯流箱兼具M(jìn)PPT跟蹤功能，且逆變器箱體擁有集中式輸出功能[3]。

案例項(xiàng)目光伏組件沿煤棚外層結(jié)構(gòu)隨坡就勢布置，光伏組件傾角需與煤棚外層結(jié)構(gòu)一致，因此采用42°、14°、0°三種角度布置組件。因?yàn)槟蟼?cè)大棚存在輸煤棧橋、輸煤綜合樓、碎煤機(jī)室等遮擋物，且南側(cè)大棚對北側(cè)大棚產(chǎn)生遮擋，故采用具有多路MPPT跟蹤功能的逆變器產(chǎn)品，將傾角及受遮擋情況一致的組件接至同一路MPPT，以盡量減少斜面輻射量差異及不均勻遮擋對發(fā)電量的影響?？紤]到目前集散式逆變器產(chǎn)品的應(yīng)用較少，故采用技術(shù)相對成熟的集中式逆變器產(chǎn)品。綜合考慮各種逆變器的市場情況及經(jīng)濟(jì)性后，采用更具先進(jìn)性的50 kW集中式逆變器，其參數(shù)如表2所示。

表2 逆變器參數(shù)

2 固定式方陣布置方案

2.1 不同傾角的年總輻射量計(jì)算

項(xiàng)目光伏組件采用42°、14°、0°三種角度安裝，利用PVsyst軟件可以計(jì)算最佳傾角。不同傾角下方陣面上的年總輻射量如表3所示。

表3 傾角變化時(shí)固定式方陣的年總輻射量

2.2 組件布置

干煤棚分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目的場地為2個(gè)煤棚頂部，每個(gè)煤棚棚頂?shù)难b機(jī)容量都為2.75 MW，同一組件串中各組件的性能參數(shù)宜保持一致?？梢愿鶕?jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50797—2012）計(jì)算串聯(lián)數(shù)[4]，計(jì)算式如下：

式中：KV為開路電壓溫度系數(shù)；K'V為工作電壓溫度系數(shù)；N為串聯(lián)數(shù)；t為極限低溫，℃；t'為極限高溫，℃；Vdcmax為直流側(cè)最大輸入電壓，V；Vmpptmax為MPPT電壓最大值，V；Vmpptmin為MPPT電壓最小值，V；VOC為組件開路電壓，V；Vpm為組件工作電壓，V。

根據(jù)該地區(qū)光伏組件的工作條件，極限低溫為-18 ℃，極限高溫為40.9 ℃。

通過式（1）計(jì)算得到：N≤21.120 24；

通過式（2）計(jì)算得到：6.526 86≤N≤25.926。

光伏組件開路電壓（VOC）為在STC條件下，輻照度為1 000 W/m2時(shí)的測試結(jié)果[5]。當(dāng)氣溫達(dá)到多年極限低溫時(shí)，輻射度通常遠(yuǎn)低于1 000 W/m2，此時(shí)的開路電壓也低于STC條件下的測試結(jié)果，而組件串聯(lián)能力高于以上計(jì)算結(jié)果。需要在不同輻射度下測試開路電壓，計(jì)算組件最大串聯(lián)數(shù)[6]，輻射度越低，在極限低溫下的組件串聯(lián)數(shù)越多。

為了達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)化，光伏發(fā)電站一般采用最大組件串聯(lián)設(shè)計(jì)。如果使用上下兩排布置的形式，每串組件數(shù)目取22，每22塊280 Wp組件組成1個(gè)6.16 kWp的光伏組串。根據(jù)煤棚外形尺寸及結(jié)構(gòu)形式，為了充分利用空間及節(jié)約光伏支架結(jié)構(gòu)成本，光伏組件在煤棚外層坡面橫向布置，在煤棚頂部風(fēng)帽上方豎向布置，其布置形式如圖1所示。

圖1 固定式光伏方陣布置示意圖（單位：m）

項(xiàng)目光伏組件沿煤棚外層結(jié)構(gòu)隨坡就勢布置，煤棚共2座，形式一致，南北間距18 m，南棚標(biāo)高比北棚低3 m，組件布置于兩棚南面42°、14°坡面，以及頂部水平風(fēng)帽上方。單個(gè)大棚的組件布置示意圖如圖2所示。

圖2 光伏組件布置示意圖

3 電氣接線方式

根據(jù)棚頂光伏板分布的位置、容量和電廠內(nèi)負(fù)荷消納的匹配情況，擬采用10 kV電壓等級，使用2個(gè)回路，分別接入脫硫島10 kV配電室的2段獨(dú)立母線。

煤棚棚頂擬全部采用組串式逆變器，共計(jì)采用112個(gè)組串式逆變器。光伏板直接接入組串式逆變器，出口電壓暫定為520 V，平均4～5個(gè)逆變器配套1個(gè)交流匯流箱，合計(jì)每個(gè)煤棚約配套11個(gè)交流匯流箱。每個(gè)匯流箱配套“5進(jìn)（單個(gè)斷路器的額定電流為100 A）1出（出口斷路器的額定電流為250 A）”共6個(gè)低壓斷路器，經(jīng)交流匯流箱匯流。根據(jù)容量，每個(gè)煤棚配套1臺(tái)3 150 kVA的三相雙卷干式變壓器，升壓變壓器采用緊湊型箱式變，10 kV箱式變壓器升壓經(jīng)過中壓開關(guān)通過直埋電纜接入位于場地南側(cè)的脫硫島10 kV配電裝置。煤棚光伏系統(tǒng)接線圖如圖3所示。

圖3 煤棚光伏系統(tǒng)電氣接線示意圖

4 項(xiàng)目的應(yīng)用效果

項(xiàng)目利用封閉煤棚向陽側(cè)屋頂布置安裝光伏組件，主要應(yīng)用效果如下。

（1）將常規(guī)拱形煤棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化為三段直線結(jié)構(gòu)，在煤棚的最長段光伏組件按最佳布置角度42°進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以最大限度地增強(qiáng)光伏發(fā)電能力。

（2）光伏組件產(chǎn)生的電力經(jīng)升壓變壓器升至10 kV后，并入脫硫10 kV母線，在脫硫配電間實(shí)現(xiàn)平衡。通過計(jì)算分析，光伏發(fā)電系統(tǒng)容量比機(jī)組容量小，提供的短路電流小，光伏電能接入脫硫母線后，脫硫配電間10 kV側(cè)短路水平在《電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)原則》的允許范圍之內(nèi)，即能夠確保光伏電能向脫硫系統(tǒng)供電的安全可靠性[7]。

5 結(jié)束語

光伏發(fā)電利用可再生的太陽能資源，符合國家產(chǎn)業(yè)政策和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，具有較好的社會(huì)效益。文章研究項(xiàng)目在屋頂上建光伏電站，可以節(jié)省大量土地資源。在充分利用太陽能的前提下，通過科學(xué)、合理地布置光伏陣列，能夠產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著社會(huì)的發(fā)展，能源需求將不斷增長，我國化石資源已日趨緊缺。使用光伏發(fā)電，利用其可再生性，可以在產(chǎn)生能源的同時(shí)，減少其他資源和能源的消耗，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，改善電力能源結(jié)構(gòu)。